時間:2023/11/3 21:25:35 來源:光明日報
奎太克協(xié)海爾古城遠景圖(上)與復原圖(下)。圖片由中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院提供
從海底探測到無損檢測,科技的發(fā)展給考古工作帶來更多可能。其中,遙感,讓傳統(tǒng)野外考古和文化遺產(chǎn)保護擁有了“慧眼”。相比地面考古調(diào)查,太空中的衛(wèi)星和天空中的飛機等遙感平臺為考古提供了不一樣的視角,對解讀數(shù)千年來的考古信息起到不可替代的作用。近年來,遙感考古技術(shù)得到系統(tǒng)發(fā)展,通過數(shù)據(jù)、理論、技術(shù)的不斷整合,在田野考古調(diào)查、文化遺產(chǎn)保護與復原、文物資源管理與展示等方面表現(xiàn)突出。
1變不可能為可能,遙感技術(shù)賦能考古
遙感考古是指利用遙感對考古遺存進行發(fā)現(xiàn)與識別的無損探測技術(shù)與方法,主要原理是基于多平臺多傳感器,獲取遺址和環(huán)境的空間、和光譜信息,根據(jù)光譜成像規(guī)律和空間相關性,提取遺跡的光譜、紋理、幾何特征及其空間分布。這讓許多過去不可能發(fā)現(xiàn)的信息,清晰展現(xiàn)在世人們面前。
當?shù)乇?、淺地表存在考古遺跡或遺物時,會影響周圍土壤的物理化學性質(zhì),導致土壤結(jié)構(gòu)、含水量、營養(yǎng)成分與未經(jīng)擾動的自然堆積之間存在差異,從而在遙感影像上形成植被、土壤、陰影等考古標志,為考古調(diào)查和發(fā)掘提供參考依據(jù)。
遙感不僅能夠服務于考古調(diào)查與發(fā)掘,關鍵是能夠記錄和解釋遺址及環(huán)境的歷史變化,尤其是隨著遙感考古理論與方法的發(fā)展,多種技術(shù)方法的引入與融合,能夠?qū)崿F(xiàn)對考古空間信息的深入挖掘、綜合研究和多維展示,為考古研究和文化遺產(chǎn)保護工作提供科學數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。
與傳統(tǒng)文物保護、考古學的傳統(tǒng)技術(shù)手段相比,遙感技術(shù)具有宏觀綜合、動態(tài)實時、客觀準確、時空回溯、全天時全天候、穿透能力強等優(yōu)勢,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
觀測平臺多樣。遙感能夠根據(jù)考古調(diào)查、遺址監(jiān)測等不同應用場景需求,從地面、飛機、衛(wèi)星等不同觀測平臺獲取多尺度和多時相的遙感觀測數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)多源性。載荷的成像譜段從可見光波段向長波和短波不斷延伸,能夠獲取到高空間、高時間、高光譜分辨率以及長時間序列的多源信息,為遺址調(diào)查、文物保護監(jiān)測和古環(huán)境重建提供豐富的數(shù)據(jù)源。
全天時、全天候、大范圍。遙感技術(shù)能夠突破氣候條件、觀測時段的限制,快速、準確、宏觀地獲取地表、淺地表的考古信息。
動態(tài)實時。遙感能夠獲取海量數(shù)據(jù),具備對遺址及賦存環(huán)境進行動態(tài)實時觀測的能力。
穿透能力強。遙感考古可在一定程度上穿透遺跡上層的覆蓋,激光雷達能穿透森林冠層獲得地面信息,合成孔徑成像雷達和探地雷達能穿透地表的不同深度,從而獲取地面遺跡或埋藏于地下的遺跡信息。
無損探測。遙感能夠突破傳統(tǒng)田野考古的局限性,在不進行考古發(fā)掘的前提下感知、測量和分析考古遺存的特征,極大提高考古調(diào)查的效率和探測能力,在農(nóng)作物覆蓋、戈壁灘等不同地表覆被情況的考古調(diào)查中取得很好的應用效果。
可以說,遙感技術(shù)在文物的發(fā)現(xiàn)、保護、修復與管理等領域不斷發(fā)力,并逐步形成遙感考古這個獨具特色的研究領域。隨著遙感考古技術(shù)創(chuàng)新和應用研究的不斷深入,地理信息系統(tǒng)、地球物理、虛擬現(xiàn)實、機器學習、數(shù)據(jù)挖掘、知識圖譜、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)逐漸融入遙感考古研究中,拓展了遙感考古研究的思路、方法和內(nèi)容,提高了田野考古工作和文化遺產(chǎn)保護的水平,推動遙感考古研究步入嶄新的時期。
2西域都護府治所究竟在哪里?遙感助力解答千古謎題
遙感考古技術(shù)的一個典型應用,就是對西域都護府治所位置的判斷。西域都護府是漢代中央治理西域的最高政治機構(gòu),對其治所位置的探尋是考古及歷史學者鉆研近百年的課題,但始終沒有定論。近年來,中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院、國家博物館和新疆文物考古研究所等單位聯(lián)合,將遙感、物探技術(shù)與文獻考證、實地考察等手段結(jié)合,進一步推進尋找西域都護府治所的考古研究。
研究人員通過歷史記載和文獻,初步劃定遺址可能所在區(qū)域,利用多源遙感數(shù)據(jù)對該區(qū)域進行大范圍探測,發(fā)現(xiàn)考古感興趣區(qū),進一步采用多種地球物理手段對感興趣區(qū)進行勘探,驗證并獲取地下埋藏目標信息,通過地上地下一體化考古探測與綜合分析,獲取古城的布局和形制等方面信息,最后通過傳統(tǒng)考古鉆探進行驗證。遙感考古探測的結(jié)果為考古調(diào)查和發(fā)掘提供了重要的參考信息。
根據(jù)北京大學考古文博學院教授林梅村的研究,“漢代西域三十六國流行圓城,而中原多為方城”。基于航空和航天遙感影像發(fā)現(xiàn)奎玉克協(xié)海爾古城為圓角方形,表現(xiàn)出西域與中原特色的融合,城墻邊長約230米,為漢代的百丈,符合漢代規(guī)制。
遙感影像上發(fā)現(xiàn)古城高臺周邊有一圈環(huán)形異常,尤其是降雨后表現(xiàn)為明顯的潮濕標志,后經(jīng)地球物理探測其水分含量高于周邊,推測為壕溝。在城內(nèi)和疑似壕溝多處進行鉆探發(fā)現(xiàn)大量的紅燒土和灰燼層,經(jīng)碳14測年距今約2200年左右(漢代)。
研究人員依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和勘探分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)古城高臺最高處距地面約6米,推斷其早期為“多級高臺建筑”,據(jù)此模擬復原了奎玉克協(xié)海爾古城原貌。
2017年,“漢唐絲綢之路的開拓—西域都護府”研討會在新疆巴州輪臺縣召開,與會學者認為西域都護府遺址位置可初步確認在輪臺境內(nèi)。
3不斷進步不斷突破,我國遙感考古實踐日趨豐富
我國遙感考古技術(shù)應用開始于20世紀60年代修建三門峽水庫,其時,科學家們利用航空照片分析了庫區(qū)古代遺址、墓葬的分布。此后,開展了北京長城航空遙感調(diào)查、壽春城遙感解譯、陜西和寧夏交界處干沙掩埋的古長城探測、秦始皇陵遙感考古勘探等研究工作。2001年,由中國科學院、教育部、國家文物局聯(lián)合成立遙感考古聯(lián)合實驗室,標志著我國遙感考古應用進入新階段。隨后,國家文物局啟動了系列多學科聯(lián)合的重大科研項目,以遙感技術(shù)為主的空間信息技術(shù)成功運用于京杭大運河保護、中華文明探源工程、西部干旱區(qū)典型遺址探測、天地聯(lián)合田野考古調(diào)查等研究中,大大推動了遙感考古技術(shù)的應用和發(fā)展。
近年來,遙感技術(shù)廣泛應用于考古調(diào)查、發(fā)掘、保護與研究工作,取得了系列突破性進展和標志性成果,在推動考古學發(fā)展方面起到了不可替代的重要作用。
一是遙感考古調(diào)查與發(fā)現(xiàn)。遙感技術(shù)可以克服復雜地形對傳統(tǒng)考古調(diào)查的影響,形成對考古遺址結(jié)構(gòu)布局及分布的新感知。在海南、新疆第三次文物普查中,應用遙感技術(shù)對古城、墓葬、長城、坎兒井等不可移動文物進行大范圍遙感考古調(diào)查,發(fā)現(xiàn)了數(shù)百處遺址,尤其在茂密植被覆蓋區(qū)、荒漠和戈壁等無人區(qū)的考古調(diào)查中發(fā)揮了重要作用;開展西北干旱區(qū)地表考古勘察,在古絲綢之路干道甘肅瓜州-沙洲段發(fā)現(xiàn)多處古城遺址,填補了巴州古城遺址以西區(qū)域漢唐遺址遙感考古發(fā)現(xiàn)的空白,為西北邊疆史地研究提供豐富的實物資料;在內(nèi)蒙古、河南、河北和新疆等地的航空考古調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了多處考古遺跡,為多元文化融合區(qū)的考古研究提供了新的素材。
二是空間技術(shù)協(xié)同探測。隨著遙感考古應用實踐與積累,遙感考古也逐漸走向遙感、地理信息系統(tǒng)、地球物理等多元信息與技術(shù)融合的綜合遙感考古應用,有效提升了在京杭大運河、絲綢之路、長城等大型線性文化遺產(chǎn)和都邑性遺址、典型遺跡的考古信息獲取能力與協(xié)同探測能力,為遺址探測、空間預測、環(huán)境分析等提供了基礎信息和技術(shù)支持。
三是文化遺產(chǎn)保護監(jiān)測。遙感技術(shù)能夠監(jiān)測文物本體保存狀況、核心區(qū)和緩沖區(qū)內(nèi)的自然和人為變化、周邊地區(qū)開發(fā)對文物本體的影響等,支撐文化遺產(chǎn)保護的風險評估。基于高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、長時間序列中分辨率光學衛(wèi)星數(shù)據(jù)、微波遙感數(shù)據(jù)、激光雷達數(shù)據(jù)等多源遙感數(shù)據(jù),構(gòu)建成吳哥遺產(chǎn)地空間數(shù)據(jù)庫,提取吳哥遺址本體及周邊森林、水系、地表形變等環(huán)境特征要素的時空分布信息,實現(xiàn)遺產(chǎn)地綜合監(jiān)測;利用“地中海盆地觀測小衛(wèi)星星座系統(tǒng)”(COSMO-SkyMed)數(shù)據(jù),獲取洛陽古城地表沉降場,初步揭示人類活動對典型遺產(chǎn)地的影響。
四是文物鑒定、修復與保護。利用文物專用高光譜掃描成像系統(tǒng),結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù),能夠?qū)Σ世L類文物的隱藏病害進行無損提取和鑒定,增強對壁畫繪畫工藝、色彩搭配以及材料來源等歷史信息的認知,為彩繪類文物保護與修復提供重要科學依據(jù)。在對敦煌莫高窟壁畫起甲病害的評估中,采用近紅外高光譜技術(shù),獲取出從未發(fā)生起甲到碎片脫落的病害周期內(nèi)各個階段的光譜信息,便于對文物病害位置進行有效保護。
五是文物信息數(shù)字化與三維展示。綜合不同平臺的遙感數(shù)據(jù)以及測繪、現(xiàn)場調(diào)查、考古研究等資料,用于考古信息的數(shù)字化記錄和遺址三維展示,推動文物的活化利用。利用三維激光掃描技術(shù)對東漢函谷關、龍門石窟、佛香閣復雜大型古建筑進行三維復原,有力支撐文化遺產(chǎn)的保護;利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)和考古調(diào)查資料等,對北京、新疆等多地長城的烽燧、戍堡、卡倫、驛站遺址進行三維復原,對陶寺、雙槐樹等系列遺址的古地形進行三維重建,實現(xiàn)遺址與環(huán)境變遷的再認知。
六是文物空間數(shù)據(jù)庫建設與大數(shù)據(jù)分析?;谖奈镔Y源管理與考古全流程的業(yè)務需求,建立文物數(shù)據(jù)管理和分析的智能化平臺,推動文物綜合應用體系的構(gòu)建。建立典型遺跡波譜庫,獲取不同材質(zhì)、年代、埋藏條件下的遺跡波譜特征,為遙感考古探測提供重要的基礎數(shù)據(jù);基于海量遙感數(shù)據(jù)和考古調(diào)查、考古勘探和考古發(fā)掘等信息,構(gòu)建了文物資源管理系統(tǒng)、考古綜合數(shù)據(jù)庫、中國世界文化遺產(chǎn)遙感數(shù)據(jù)庫等,實現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的聯(lián)通;融合人工智能和遙感考古大數(shù)據(jù)分析方法,將海量多源遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化遺址信息和考古知識,為文化遺產(chǎn)的科學保護與管理提供空間大數(shù)據(jù)支撐。
遙感技術(shù)能夠最大限度地獲取文物的時空信息,從宏觀、中觀、微觀不同層面,為解決考古學問題提供不可替代的信息和服務。在宏觀景觀層面,能夠全面掌握遺址賦存環(huán)境的地表要素變化、空間分布情況;在中觀遺址層面,能夠了解文物的空間結(jié)構(gòu)、布局及空間位置關系;在微觀本體層面能夠獲取遺址及遺跡的多維空間細節(jié)信息。遙感已經(jīng)成為考古調(diào)查與監(jiān)測必不可少的手段。
隨著遙感數(shù)據(jù)的極大豐富,空間考古信息呈現(xiàn)爆發(fā)式增長的態(tài)勢,發(fā)展基于人工智能和考古大數(shù)據(jù)的遙感考古技術(shù)已成為研究熱點之一。在多學科融合背景下,遙感與地球物理、環(huán)境等多學科的交叉融合,會進一步促進遙感考古的協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展。未來,遙感技術(shù)的不斷突破與文物行業(yè)需求的有效牽引,將促進遙感考古基本原理、技術(shù)方法、應用水平的全面提升,推動考古智能化、定量化發(fā)展,為推動建設中國特色、中國風格、中國氣派的考古學貢獻遙感力量。
(作者:于麗君、朱建峰、顧燕杰,分別系中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院副研究員、副研究員、七級職員)
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